专利名称：用于脉博测氧法的信号处理的制作方法
用于乐:Nf测氧法的信号处理相关申请的交叉引用本申请要求于2005年9月30日递交的美国临时申请第60〃22，257号的优 执技术领域本申请涉及/^^在噪声的情况下确定生物学脉动信号的脉搏率。jH^h描述 的才iMOft于处S^自1^#测氧传感器的信号来^#别有用。
背景技术：
务^#测氧法(Pulse oximetiy) A^于测量在患者动I^J^中的氧^^度的 无创伤诊断过程。1^#测氧法基于如下原理将来自至少两个波长的光能传递 到光吸to理介质，响应于所i4^吸絲集^CgJt的(或^ficit^的)发射光， ^fi十算来自所采集的信号的氧^^度(oxygen saturation level )。典型的脉搏测 氧计(pulse oximeter)具有两个主J^件附着于患者^Ui的用于采^f言号的传感器，和用于处理所采集的信号以便确定动乐1^2^#^度和务^#率的处理单元。不幸的是，传统的务j^测氧系醋易受到噪声的影响，这将导fW乐械 率和氧^p度不稳定的读数、不准确的测量以及，的警报。^}##测氧系 统中的信号电平远远低于it^乐^f测氧系统中的信号电平，其噪声尤期帥处 理。发明内容在多个不同的时间偏移(time"Sh股)将在预先i^的一个函数集合中所包 ^f^-个函数与输入信号进行tb^，并JLi^择与输入信号最匹配的函齡时间 <^多組合。然后^:匹配函数的频率用作输入信号频率的最佳估M。
图l是示出用于确定J^动4言号的射^f率的方法的4匡图。图2A是用于与图1的方法"-^使用的预定:^率函数集合(S^PFF)的第 一示例。图2B是用于与图1的方法"^^f吏用的S-PFF的第二示例。 图2C是用于与图1的方法""^使用的SJTF的第三示例。 图3是用于与图1的方法^^使用的S"PFF的第四示例。 图4示出了输入信号和从S^PFF选出的匹配函数。絲实施方式虽然在^c^测氧法的情况下对扭b^Hf的她实施方式进鄉述，但是本 发明也可用在雞情况中，包括但是不「艮于对>^^测|1^针(oximetry probe) 以外的，源获得的生物学脉动信号的信号处理。为了#^^^#测氧系统中采集到的信号来计算氧*度(Sp02 )，通常优 选的是首先确定信号的脉搏率并定###^置。对于M噪声的信号中计算正 确的氧^^UM兌，获得乐^#率和乐^^置的>^角估^ _很重要的。图1 A^！于通过求解涉及预定:^率函数条^ (S^PFF)的最优化问JH^t确 ^ 动输入信号20的脉4f率的tt^r法的4匡图。脉动输入信号20和S-PFF 22 i^^数学运算器24中用于处理。数学运算器24衫UU来将频率估算问^I^M 最优化问题。系统的输出26是对输入信号确定的^#率。输入信号20可以是从源(例如，测W^针)获得的原始信号，或者其可以 被预处理。在-HM^实施例中，^AJ^理阶段之前通iiit当的预处理滤波 ^#输入信号中的DC ,率非常低的^J:去除。去除DC分量能够确保处理 后的信号在0附i^^动并且具有正的和负的#。S-PFF是N周期函数的集合，其用于确定输入信号的频率。M的是，将 &PFF函 #成与在戶林望的应用中期望的信号(A^入噪声)勒以，至少 是;^t类似。M的是，基于所期望的输入信号并J^于所获得的结果的所 要求的,^i捧&PFF函数的频率范围、给定的S-PFF中函数的数量N以 ;^目继的频杖间的步长大小。可基于4^^船的^^中将要it^的信号图2A ^—S-PFF30的示例，其包括N周期波形31-33的絲，^~个 ^Rr有相似的对称形状但是具有不同的频率frfN。图2B賴二 S"PFF 40的示 例，其包括N周期波形4143的H^， ^个^^有相似的对称形状但是具有 不同的频率f广fw。在备逸的实施例中，可以使用数字S^PFF50，如图2C所示。 该第三&PFF50也包括N周期波形fi-fN51-53的集合，^~"个^*有相似的模 式^^|_具有不同的频率。^Eit些实施例中，函数51-53只肯沐3樣{-1，0，+1}。 ^JD此类型的S-PFF的一个阮点在于，与樹以S"PFF相比，其使得^^亍数学运 算更加简单和快捷。必须强调的是，图2A-2C中示出的S-PFF30、 40、 50仅仅 是可使用的S^PFF的示例，而不应被^对本发明的限制。> ^^#测氧法的情况下，^^t理的输入信号是源于光学传感器的生理脉动 信号加上大量噪声。脉动的频率对应于患者的心率或乐1^^率。由于对于几乎所 有的患者来说，期望的乐}^#率在^^30至240下(bpm)之间，因此用于脉 搏测氧法的S-PFF的频率的合适的范围是从1/2Hz (对应于30bpm)至4Hz(对 应于240bpm )。由于很多医学应用要求以lbpm的准确度和^f率来确定心率， 用于J^^测氧法的合适的S^PFF将是从30bpm (1/2Hz)到240bpm (4Hz)的 范围的以lbpm为步长的211个不同频率(N-211)的集合。如果需要更高的 緒率或精确度，N可以增加JJ1过2U。可选的是，不同频杖间的步长可以 被iM为非线性的，在较〗顿率时^^]较小的bpm步长，而錄高频率时^JI 较大的bpm步长(例如，按对数Mt^化，以实淑目同的百分率精确度)。在测IUt程中，m患者的生^^动信号的形舰常会具有较快的上升时 间和较匱的下降时间。结果， 一个适于乐jc^测氧法的&PFF将是图2B所示的 S^PFF40，其Hfe^有较快的上升时间和较慢的下降时间，因此与所期望的信号 ^JL匹配。如Jii^斤解释的，以lbpm步"^U/2Hz至4Hz的范围的211个频 率(即，N = 211)是用于乐^#测氧应用的适合的频^^布示例。但是，在一些 情况下，生理^1^#波形的形状#^不同(例如，基于特定的生理状况)，il^T 入波形与S-PFF中的波形不淑WiL匹配时^f吏得性能劣化。因此将多种不 同的波形结^tA^ &PFF中以应对这种差异是有利的。图3是用于##测氧应用的皿的S"PFF60的示例，其一it^f^化以利用不 同的波形对输入信号进行处理。该S"PFF 60包括一个函数子集这些函 数具有从30bpm至240bpm的范围的211个不同的频率，具有较快的上升时间和^^慢的下降时间，以匹配来自大多数他泉患者的期望的生理脉动信号。该S-PFF60还包括第二函数子集64^66,这些函数具有所述2U个不同频率中的每 一个频率，具有较慢的上升时间和较快的下降时间，以匹配来自其波形偏离较 "fi4的'tfeiJi升波形的患者的具有相应形状的生理脉动信号。该&PFF60还包 括第三函数子集67-69,这些函数具有所述211个不同频率中的^"个频率，具 有匹配的上升时间和下降时间，以匹配来自其波形偏离正常的患者的具有相应 形状的生理务jc动信号。因此，优选的S-PFF 60—共包括633个函数(3x211)。 应当注意，在S-PFF60中用于J3^f测氧法的^-""个函数61-69的合适的機时 间都是3-5秒长。用^^#测氧应用的另^^的S-PFF包括 一个函数子集61-63，这些 函数具有从30bpm至240bpm的范围的211个不同频率，具有;欧快的上升时间 和较慢的下降时间(以匹配来自大多数他泉患者的期望的生理脉动信号)；和第 二函数子集67-69，这些函数具有所述211个不同频率中的^个频率，并且具 有匹配的上升时间和下降时间。因M—优选S-PFF总共包括422个函数 (2x211)。对于该S-PFF内的^-"个函数61-63、 67-69来说，3-5秒也是合适 的M时间。可选的是，可以增加另外的函数子集(未示出)以匹配特定的生理状况。 例如，可以将211个函数的附加^^添加到上迷多个S-PFF中的一个中，这些 函数与预期来自具有功能不全的二尖瓣的患者的生理脉动信号相匹配。(预期 来自这种患者的波形与来自俛泉患者的波形不同，因为血; :初从左心室流到 左心房内。只有在赵了足够的压力^，主动脉瓣才会打开)。可选的是，不同的S-PFF可用于不同类型的患者，妙从、儿童、嬰儿 以;SJ台儿。例如，针对嬰儿，可将S^PFF的频率范围偏移到较高频率(与M 30-240bpm的范围相t嫩)。现在回到图l,输入信号20包拾潜在的生理脉动信号加上噪声。该输入信 号20和S-PFF 22 iiAJ，J处理阶段，其包:^L设计为估算输入信号的频率的数 学运算器F24,数学运算器F将频剩古算问题转化成最优化问题，并且W^ 实5^式有赖于实际应用。由于在&PFF的情况下，可以^t典型数据l^t 用的训练期间中对数学运算器F进#^>^匕和测试。^^发明的"HStt实施例中，数学运算器F ^^:U;如下的非线'腿算器(1)F-MAX^ (a"(S^PFFj(t)， I(t-i))+ a2*/2(S-PFFj(t)， I(t-i)) +a3*/3(S-PFFj(t)， I(t-i))...+ an*/n(S-PFFj(t)， I(t-i))} 其中，/r/n是n个线4仏非线性函^iM的齡； S-PFF是预定^率函数的H^，如上所逸j是表示从N(注意，n与N无关W所定义的S-PFF函数中所选#^| S"PFF 函数的标号；a广an"斤选辆加权常数；嚇絲條I是输入信号5t是表示S^PFFj和I的特定样本(即，在时间t的这些函数)的标号；以及iA/斤选^ 偏岸M，其表示在函数&PFFj和输入信号I之间的当前偏移， 数学运算器F^W:优化问题,在该问题中对最大^i^沐索，如方程(l) 所表示的那样。以这一方式，将S^PFF中包^^个函数与许多不同的时间 偏移处的输入信号相tbi陵，并JL^择出与輔rA^言号最匹配的函齡时间偏移组合 (即，通it^择出现最大值的组合)。在不同比较之间的合适的时间偏移粒度 (granularity)是对应于一个样本的偏移。然后使用最匹配的函数的频率作为 所述输入信号的频率的最佳估雜。例如，如絲求解F过程中，在(j-12， 卜5)处彬'j最大值，这将表示S"PFFu是提供最大值结果的函数。这样，函数 S>PFF12的频率将,iC^择作为输入信号I的频率用于输出。在J^4f测氧法的情况 中，所，^#^##率(即，心率)。除了4t^期望的信号使SJTF最优化，如上所述，作为F的-^分的函数 /r/n和加权常数a广an可在训练阶段^嫂义: f^优化，以最4M^合于特定的应 用和在该应用中所期望的信号特性。可^ I妙MLS (平均最小二乘法)或最 大似然法之类的合适的标准最^^/f匕方法iMi^^^匕。^!^it合于^y^f测氧系统中佳用M的633个函数的&PFF 60 (在图3中 示出)来确^#率的一^^实施例中，n=3，因 学运算器F仅仅包括 3个函数/i、/2和/3。 ^i^一实施例中，函数/l(y)是通过将函数S"PFFj与偏移i个样本的输入信号I相乘而获得的乘积之和，并_3>权常数",是+ 1，从而得 到如下方禾呈》=St S-PFFj(t)*I(t-i)。函数/2《》是输入信号I的i^值I(tu) 之间的差值的和，并>11>权常数"2是-1。值^代表函数S-PFFj(t)的最大值的标号。函数/3《》是输入信号的錄值I(U^间的差值的和，并J^权常数"j也 是-1。值&M樣函数S^PFFj(t)的最小值的标号。^S个函数的特定集合中，yi主要负责估Wr入信号的频率或者i^f率。函数/2和/3主要负责防jbir入信 号的谐》 率千 率的估算。一^Si^择了 &PFF内的最佳函数,标号{^则>(^^^#的最大值的位置而标 号{^}^4^#最小值的位置。通it^位于(tj标号处的采集信号的值减去位于d)标号处的值，即可获得乐械的振幅。佳月标准测氧方法，可^^I这些值计算可选的是，||1#率和/或乐械的最大#最小值的位置可用于摘选出乐械波 的特定段以用于进一步的处理。例如，在|^#测氧系统中， 一旦识别了最大值、 最小值和乐:Mf率，即可定位心动周期的不同阶段(因为上，分对应于心动周 期的开始阶段，而下转分对应于心动周期的结束阶段)。从而当将对应于上升 部分的样本用于sPo2计算时获得M的结果。现在回到图4，可通it^^"个心动周期内^l大量样本iMi—步扩Jb^— 方法。在所例示的示例中，iMi^T入信号70具有lHz的频率，其对应于60bpm， 并且具有相对快的上升阶^^慢的下降阶段。通过:fM SJTF 60 (在图3中 示出)应用JLi^斤述的信号处理^t^,如Jii^斤述4f^择匹配的60bpm (1Hz) 的函数7S。如果采^ML够快以"^秒1^供12次SpCV测量，则将输入信号70的 样本71絲到从S"PFF选躺函数75 ^^吏得能够区分心动周期的不同阶段。 例如，在输入信号70的上升阶段的样本可通iii^择与所选^I函数75的上升 部分76相对应的样本来识别。在所例示的示例中，样本71'将被识别为对应于 输入信号70的上 分。该样本71'将ISi^M于进行Sp02计算。法。即4树于当^采集的^f信号振幅较低而噪^电平较高时出现的非常低的 SNRUt^比)值，这一方法也食诚功地计算出##率。虽然该方法^Jiil中 以拟娥乐j^测氧法导出信号确定心率和乐j^置的情况下进行了说明，但是 应当认iP肩这些方法还可用于处理，生3S^^信号。jH^卜，上^L/斤述的函数、频率、，率、持续时间以AM率范围仅M示例，因而不育M皮认为是对本发 明的限制。
权利要求
1. 一种用于由脉搏测氧输入信号确定活体的脉搏率的方法，该方法包括如下步骤将在多个不同时间偏移的每一个处的输入信号与函数集合中的每个成员进行比较，其中所述集合包括具有每分钟30至240个周期之间的多个不同频率的函数；基于在比较步骤中获得的结果，从所述集合中选择与所述输入信号最匹配的函数；以及使用所述选择的函数的频率作为活体的脉搏率的估算值。
2、 N5U'j^求l所述的方法,还包括^^斤ii^r入信号中去除DC械率很低的^i:的步骤，其中所述去^^to所^嫩步骤之前旨。
3、 H5U，漆求1所述的方法，其中所述集合中的函数均具有在约3秒至约 5移-之间的#^时间。
4、 4p^U'J^求3所述的方法，其中所述齡包括至少211个函数。
5、 如;(5U']^求1所述的方法,其中所述条^中的函数的频#照频率进行 分布从而提^^^中至少一个周期的，率。
6、 N5U，漆求1所述的方法，其中所述^包括函数的第一子集，其中上 升时间短于下降时间，并JL^该第一子集中的所有函数的形状都是相似的。
7、 N5U'漆求6所述的方法,其中在第一子集中的函数的频^^照频率进 行分布从而提^^t至少一个周期的^f率。
8、 fcp^U'漆求6所述的方法，其中所述^￡包括函数的第二子集，其中 上升时间与下降时间大致相同，并JL^该第二子集中的所有函数的形状都是相似的。
9、 N5U，漆求8所述的方法，其中第—集和第二子集中的函数的频# 照频率进行分布从而提^^t至少一个周期的，率。
10、 WU，漆求9所述的方法，其中所迷^￡包括函数的第三子集， 其中上升时间长于下降时间，并iL^该第三子集中的所有函数的形^P是相似 的。
11、 fc^'漆求1所述的方法，其中所述1^^步 选##^^于下述公式拟亍F-MAX^a"(S-PFFj(t)， I(t-i))+ a2*/2(S~PFFj(t)， I(t-i)) +a3*/3(S-PFFj(t)， I(t-i))."+ anyn(S~PFFj(t)， I(t-i)》 其中，力-X是n个线')iil非线性函lfc^的l^; S曙PFF是预定讀率函数的餘j狄示vy^斤定义的N个S-PFF函数中选辆S^PFF函数的标号；a广an"斤选辆加权常数；A狄法运條I是输入信号5t U示S"PFFj和I的特定样本(即，在时间t时的这些函数)的标号； 以及i;l^斤选^J偏详M，其表示在函数S-PFFj和输入信号I之间的当前偏移。
12、 ^5U'漆求1所述的方法，其中所述J^^步^i^旨tt于下列 公式来齡F-MAXyW(S-PFFj(t)， I(t-i))-/2(S-PFFj(t)， I(t-i))-/3(S-PFFj(t)， I(t-i))} 其中，函数/!《》是通过将函数S-PFFj与偏移i个样本的输入信号I相乘得到的乘 积v^K从而得到方程力(^i:tS"PFFj(t"I(t誦i);函数》是输入信号I的相继值I(W之间的差值的和,其中值(tuH^函数 S-PFFj(t)的最大值的才示号；函数/3《》是输入信号的相继值I(U之间的差值的和，其中值(U代表函数 S"PFFj(t)的最小值的标号；S-PFF是预定錢率函数的錄j ;Uj^^斤定义的N个S-PFF函数中选#^1 S"PFF函数的标号； I是输入信号5t是表示S^PFFj和I的特定样本(即，在时间t时的这些函数)的标号； 以及i;l^斤选賴偏雜，其表示在函数S^PFFj和输入信号I之间的当前偏移。
13、 一种处^^C"^测^TArfl"号的方法，该方法包括知下步骤将在多个不同时间偏移中的[个处的输入信号与函数M中的每个成员进行》嫩，其中所述|1^包括具有#钟30至240个周浙t间的多个不同频率 的函数；基于在t嫩步骤中获得的结果，^^斤述齡中选择与所述输入信号最匹配 的函数；基于与所述选择的函数的上升部分在时间上的对准来识别所i^r入信号的 上，分，以及基于来自在识别步骤中识別的输入信号的所述部分的一个或多个样本，计 算氧#度。
14、根据要求13所述的方法，其中所i^^入信号具有每秒至少12个 样本的采样率。
15、根据要求13所述的方法，还包括A^斤述输入信号中去除DC g 率很低的^J:的步骤，其中所述去紗絲所述膽步骤之前拟亍。
16、 JtwM'j^求13所述的方法，其中所述集合中的函数均具有约3秒至 约5秒钟之间的#^时间。
17、 根据要求13所述的方法，其中所述H^包括至少211个函数。
18、 根据要求13所述的方法，其中所述集合中的函数的频，照频率进行分布从而提^^^t至少一个周期的^^率。
19、 根据要求13所述的方法，其中所述齡包括函数的第""^集，其 中上升时间短于下降时间，并且该第一子集中的所有函数的形状都是相似的。
20、 根据要求19所述的方法，其中第—集中的函数的频^fe照频率 进行分布从而提^Ht至少一个周期的^f率。
21、 根据权利19所述的方法，其中所述H^包括函数的第二子集， 其中上升时间与下降时间大致相同，并且该第二子集中的所有函数的形状都是 相似的。
22、 ^根据要求21所述的方法，其中第—集和第二子集中的函数的频 ^fe照频率进行分布从而提m^至少一个周期的^f率。
23、 根据权利22所述的方法，其中所述|1^￡包括函数的第三子集， 其中上升时间长于下降时间，并JL^该第三子集中的所有函数的形状都是相似 的。
24、 N5U'J^求13所述的方法，其中所述1^^步#选## ^于下述 公式拟亍F-MAX^C(S-PFFj(t)， I(t-i))+ a2y2(S-PFFj(t)， I(W)) +a3*/3(S-PFFj(t)， I(t-i))...+ aZ/n(S-PFF柳,I(t画i)" 其中，/r/n是n个线'性或非线性函数组成的齡； S-PFF是预定賴率函数的餘j A^示^M^斤定义的N个S-PFF函数中选#^| S~PFF函数的标号； ara力斤选辆加权常数；I是输入信号5t U示S-PFFj和I的特定样本(即，在时间t时的这些函数)的标号； 以及i A/斤选辆偏详M,其表示在函数S-PFFj和输入信号I之间的当前偏移。
25、 H^'J^求13所述的方法，其中所述》嫩步^^选##1 于下列 公式胁F=MAXMW(S-PFFj(t)， I(t-i))-/2(S-PFFj(t)， I(t-i))-力(S-PFFj(t)， I(t-i))} 其中，函数/W》是通过将函数S-PFFj与偏移i个样本的输入信号I相乘得到的乘 积#，从而得到方程/由:)，-PFFj(t拜-i);函数/W》是输入信号I的相继值I(tu)之间的差值的和，其中值(tuH化函数 S-PFFj(t)的最大值的标号；函数/4》是输入信号的相继值1(U^间的差值的和，其中值(tj^函数 SJTFj(t)的最小值的标号；S-PFF是预定XM率函数的^;j ;U^示^^斤ii^义的N个S-PFF函数中选絲S^PFF函数的标号； l是输入信号；t ^示S"PFFj和I的特定样本(即，在时间t时的这些函数)的标号； 以及i^/斤选辆偏牙M，其表示在函数&PFFj与输入信号I之间的当前偏移。
26、 一种确^^动输入信号的频率的方法，该方法包括如下步骤 将在多个不同时间偏移中的^-个处的输入信号与函数条^中的每个成员进行比较，其中所述f^包括具有^t所述输入信号期望的频率范围内的多个 不同频率的函数；基于在比较步骤中获得的结果，从所述条^中选择与所述输入信号最匹配 的函数；以及所iii^^函数的频^ft为^^vf言号的频率的估B。
27、 M5U'J^求26所述的方法，还包括>^^斤述输入信号中去除0€ g 率很低的^*的步骤，其中所述去紗縣所述魄步骤之前緣
28、 如权矛漆求26所述的方法，其中所述^包括函数的第一子集，并 且该第""f"集中的所有函数的形^5是相似的。
29、 如权矛溪求28所述的方法，其中所述^包括函数的第二子集，并 且该第二子集中的所有函数的形;Mp是相似的。
30、 4t^U'决求26所述的方法，其中所述》嫩步 选## 于下述 公式拟亍F-MAX^a^力(S^PFFj(t)， I(t-i))+ a2*/2(S"PFFj(t), I(t國i)) 十C卿)，I(t画i)). .+ an*/n(S-PFFj(t)， I(t-i)》 其中，力-/n是n个线'赋非线性函l^赋的齡；S-PFF是预定:^率函数的^;j ;U^^J斤i^义的N个&PFF函数中选辆S-PFF函数的标号；a广an是选树加权常数；A狄法运條I是输入信号5t是表示&PFFJ和I的特定样本(即，在时间t时的这些函数)的标号； 以及i是选辆偏牙錄，其表示在函数S-PFFj和输入信号I之间的当前偏移。
全文摘要
本发明涉及用于脉搏测氧法的信号处理。公开了一种用于估算脉动信号(包括但是并不限于脉搏测氧信号)的频率的信号处理技术。将包含在预先选择的函数的集合中的每一个函数在许多不同的时间偏移上与输入信号进行比较，并且选择与输入信号最匹配的函数/时间偏移组合。然后将最匹配函数的频率用作输入信号的频率的最佳估算值。可选的是，一旦已经选择了函数，该所选择的函数的上升部分能够在时间上与输入信号的上升部分相关联。然后，基于对从输入信号的上升部分取得的样本进行氧饱和度的计算，能获得改进的结果。
文档编号A61B5/02GK101282685SQ200680035923
公开日2008年10月8日 申请日期2006年9月29日 优先权日2005年9月30日
发明者G·R·洛厄里, Y·沃斯尔曼 申请人:康曼德公司